Силовые полупроводниковые приборы

К силовым относят управляемые полупроводниковые приборы, используемые в различных силовых устройствах: источниках питания, мощных преобразователях и т.п. Для снижения потерь эти приборы чаще всего работают в ключевом режиме. Предъявляемые к ним требования, в основном, сводятся к следующим: малые потери при коммутации, высокая скорость переключения, малое потребление по цепи управления, большой рабочий ток и высокое напряжение. Постоянное совершенствование силовых полупроводниковых приборов позволило к настоящему времени достичь следующих показателей: рабочие токи – до 1000 А, рабочие напряжения – свыше 6 кВ, быстродействие – до 10⁶ Гц. Основными типами силовых полупроводниковых приборов являются динисторы, тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗы) и статические индукционные транзисторы (СИТы).

Динистор (рис. 2.14) – двухэлектродный полупроводниковый прибор диодного типа с тремя p–n – переходами (рис. 2.14 а), схематическое изображение которого представлено на рис. 2.14 б, а схема замещения на рис. 2.14 в. Поскольку I_Б ₁ = I_К ₂, I_К ₁ = I_Б ₂, внутри прибора возникает положительная обратная связь (ОС), при этом ток через динистор I = I_K ₁ + I_K ₂ + I_K ₀ = a ₁ I_Э ₁ + a ₂ I_Э ₂ + I_k₀, где I_k₀ – ток утечки. Поскольку I = I_Э ₁ = I_Э ₂, то

, (2.18)

откуда условие включения динистора a ₁ + a ₂³ 1. Типичная ВАХ динистора приведена на рис. 2.14 г.

Тиристор – это фактически динистор с управляемым напряжением включения, которое осуществляется дополнительным электродом (УЭ), либо катодным (рис. 2.15 а, б), либо анодным (рис. 2.15 в, г), поэтому типичные ВАХ тиристора имеют вид рис. 2.15 д. Поскольку после включения УЭ теряет управляющие свойства, то выключение тиристора (как и динистора) происходит при снижении рабочего тока до I_выкл или при подаче отрицательного напряжения на анод.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся: допустимое обратное напряжение U_обр; напряжение в открытом состоянии U_раб при I_раб = I_пр; допустимый прямой ток I_пр; времена включения (t_вкл) и выключения (t_выкл), причем для них согласно ГОСТ были приняты следующие условные обозначения: первая буква (цифра) – материал – Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – GaAs; вторая буква: Н – динистор, У – тиристор; третья группа цифр (101…199 – малой мощности, 201…299 – средней мощности); четвертая буква А, Б, В, Г, Д… – набор основных параметров, например, КУ201Б – кремниевый тиристор средней мощности с набором параметров Б.

Разновидностью тиристора является симистор (рис. 2.16) – симметричный тиристор для целей коммутации в цепях переменного тока.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) представляет собой сочетание входного ПТИЗ с выходным n–p–n БТ (рис. 2.17 а), где при изготовлении ПТИЗ с вертикальным каналом образуется паразитный БТ (Т ₁), который благодаря шунтирующему сопротивлению R ₂ заперт и не оказывает существенного влияния на работу ПТ, выходные ВАХ которого приведены на рис. 2.17 б (R ₁ – последовательное сопротивление канала ПТ). Но если дополнить структуру ПТИЗ еще одним p–n –переходом, то получается структура IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – рис. 2.17 в с дополнительным Т ₂ (p–n–p), благодаря которому в схеме появляется глубокая положительная ОС, значительно повышающая эквивалентную крутизну ВАХ (рис. 2.17 г) – до 15 А/В. Кроме того, благодаря шунтирующему действию Т ₁, Т ₂ (они включены параллельно R ₁, R ₂), значительно снижается падение напряжение на замкнутом ключе. Условное изображение БТИЗ приведено на рис. 2.17 д. Область безопасной работы ПТИЗ типа IGBT составляют рабочие напряжения с амплитудой до 1200 В при длительности импульса до 10 мкс, причем для большинства транзисторов времена t_вкл и t_выкл не превышают 0,5…1,0 мкс.

Статический индукционный транзистор (СИТ) – это ПТ с управляющим p–n –переходом, который может работать как ПТ (обратное смещение на затворе), так и БТ (прямое смещение на затворе). Основное достоинство СИТ – высокое (до 30 В) обратное напряжение, значительно ускоряющее процесс рассасывания неосновных носителей, что обеспечивает повышенное быстродействие (t_вкл ~ 20 нс) по сравнение с обычными БТ. Разновидностью СИТ являются биполярные СИТ (БСИТ), в которых напряжение отсечки сведено к нулю технологическими приемами, то есть при U_З = 0 они, как и БТ, заперты. К дополнительным достоинствам СИТ (БСИТ) следует отнести малое сопротивление в открытом состоянии (~0,1…0,025 Ом). Наконец, поскольку СИТ и БСИТ относятся к разряду ПТУП, то их условные изображения и обозначения такие же.

Контрольные вопросы

2.6.1. Запишите основное уравнение для р – n– перехода (т.е. уравнение Эберса–Молла).

2.6.2. Как определить положение РТ выпрямительного диода?

2.6.3. Какие специальные типы диодов Вы знаете?

2.6.4. Какие основные режимы работы БТ Вы знаете?

2.6.5. Нарисуйте эквивалентную схему (Т–образную) БТ.

2.6.6. Охарактеризуйте основные типы управляемых источников.

2.6.7. Как выглядит и что отражает маркировка БТ?

2.6.8. Каково основное отличие ПТИЗов от ПТУПов?

2.6.9. Назовите основные типы силовых п/п приборов и приведите ВАХ: а) динисторов; б) тиристоров.

2.6.10. Как выглядит эквивалентная схема БТИЗ?

2.6.11. В чем заключается отличие ПТИЗ от IGBT?